科學(xué)家發(fā)現(xiàn)機(jī)電耦合材料設(shè)計(jì)新策略

想象一下，如果你手里有一塊特殊的“橡皮泥”。當(dāng)你拉伸或者壓縮它時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電流；給它通上電后，又會(huì)自動(dòng)伸縮。這就是我們所說的壓電材料，是一種能實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)化的機(jī)電耦合材料。

隨著微電子技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)的快速發(fā)展，電子器件的微型化、可集成性變得更加重要，發(fā)展高性能機(jī)電耦合薄膜材料對(duì)未來高效信息傳輸和能量轉(zhuǎn)換應(yīng)用具有重要意義。

近日，新加坡科技研究局（A*STAR）研究員劉華俊團(tuán)隊(duì)通過在鈮酸鈉薄膜中引入競(jìng)爭(zhēng)性反鐵電和鐵電序來實(shí)現(xiàn)超高機(jī)電響應(yīng)，相關(guān)成果發(fā)表于《自然》。

發(fā)現(xiàn)“拔河比賽”新思路

“壓電材料的壓電系數(shù)反映了其對(duì)機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的效率。”劉華俊告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，作為衡量壓電轉(zhuǎn)換性能優(yōu)劣的綜合物理量，人們從未停止對(duì)高壓電系數(shù)材料的追求。

1880年，皮埃爾·居里和雅克·居里兄弟發(fā)現(xiàn)首個(gè)壓電材料——石英，對(duì)石英晶體施加機(jī)械壓力時(shí)，石英晶體表面會(huì)產(chǎn)生電荷。第二次世界大戰(zhàn)期間，人們又發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)鈣鈦礦鐵電材料，以鈦酸鋇為例，經(jīng)極化后可獲得比石英大100倍以上的壓電系數(shù)，這一發(fā)現(xiàn)大大推動(dòng)了超聲檢測(cè)及成像技術(shù)的發(fā)展。

“隨后，材料準(zhǔn)同型相界及相應(yīng)的高機(jī)電響應(yīng)性能的發(fā)現(xiàn)成為近七十年來高性能壓電材料設(shè)計(jì)的主流策略?！眲⑷A俊說，“其背后所蘊(yùn)含的結(jié)構(gòu)競(jìng)爭(zhēng)、極化旋轉(zhuǎn)以及自由能曲線平坦化機(jī)制為近年來新興的策略提供有效指導(dǎo)，如通過摻雜或反位缺陷構(gòu)建納米尺度的極化或結(jié)構(gòu)異質(zhì)以提升壓電性能?！?/p>

機(jī)電耦合材料的高機(jī)電響應(yīng)通常在具有強(qiáng)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性的材料中發(fā)現(xiàn)。憑借著較好的性能，目前鉛基陶瓷材料仍占據(jù)市場(chǎng)主流，但存在較高環(huán)境和健康風(fēng)險(xiǎn)。

在歸納梳理傳統(tǒng)壓電材料設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)超高機(jī)電響應(yīng)，劉華俊團(tuán)隊(duì)提出了一種新思路：他們發(fā)現(xiàn)了壓電材料中存在兩種不同的狀態(tài)：鐵電狀態(tài)和反鐵電狀態(tài)。這兩方在壓電材料中相互競(jìng)爭(zhēng)、相互拉扯，就像進(jìn)行一場(chǎng)激烈的“拔河比賽”。

劉華俊團(tuán)隊(duì)通過在鈮酸鈉薄膜中引入競(jìng)爭(zhēng)性反鐵電和鐵電序，發(fā)現(xiàn)借助外電場(chǎng)調(diào)控，鈮酸鈉薄膜內(nèi)部的晶格序構(gòu)會(huì)更活躍地響應(yīng)電場(chǎng)變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超高機(jī)電響應(yīng)。

“這一策略的關(guān)鍵在于，通過研究鈮酸鈉材料的相圖以及密度泛函理論計(jì)算驗(yàn)證了反鐵電和鐵電相共存的可行性，并結(jié)合應(yīng)變工程手段，成功制備出具有鐵電-反鐵電序共存的薄膜材料?！眲⑷A俊告訴記者，這些薄膜由于電場(chǎng)誘導(dǎo)的反鐵電-鐵電相變，顯示出超過5000 pm V^-1的有效壓電系數(shù)，為設(shè)計(jì)和利用反鐵電材料制作機(jī)電設(shè)備提供了一種通用方法。

七年科研“長(zhǎng)跑”

“我們團(tuán)隊(duì)一直關(guān)注機(jī)電耦合材料的前沿研究和壓電薄膜的商業(yè)化進(jìn)展，該研究最早可追溯到2017年，當(dāng)時(shí)我們就致力于開發(fā)無鉛高性能壓電薄膜?！眲⑷A俊表示。

隨著課題研究的深入，劉華俊團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)鈮酸鈉在低溫時(shí)存在鐵電—反鐵電相共存現(xiàn)象，這給了他們很大的啟發(fā)。

“首先，結(jié)合文獻(xiàn)和理論計(jì)算，我們肯定了從實(shí)驗(yàn)上構(gòu)建鈮酸鈉薄膜在室溫下鐵電-反鐵電相共存的可行性。同時(shí)，基于理論計(jì)算和薄膜應(yīng)變工程策略，我們確定了具體的實(shí)驗(yàn)方案?！眲⑷A俊說，可開始實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，又出現(xiàn)了問題。

在實(shí)驗(yàn)中，劉華俊團(tuán)隊(duì)首先優(yōu)化了薄膜生長(zhǎng)參數(shù)，得到了高質(zhì)量的薄膜，但在解析材料的晶體機(jī)構(gòu)和電學(xué)性能測(cè)時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)其中一項(xiàng)衍射結(jié)果和結(jié)構(gòu)模型相悖。

當(dāng)看到反鐵電相表現(xiàn)出三重對(duì)稱性的結(jié)果時(shí)，劉華俊團(tuán)隊(duì)起初百思不得其解，因?yàn)檫@不符合反鐵電相正交結(jié)構(gòu)的性質(zhì)。

“為了解決這一矛盾，我們嘗試了多種可能的猜想。通過在新加坡同步輻射光源和上海光源更多的結(jié)構(gòu)表征，我們發(fā)現(xiàn)這一三重對(duì)稱性來源于反鐵電相疇的有序排列分布。”劉華俊說，盡管研究過程中出現(xiàn)風(fēng)波，但這也更堅(jiān)定了團(tuán)隊(duì)攻克這一難題的決心。

當(dāng)驗(yàn)證驗(yàn)證鐵電-反鐵電共存行為以及測(cè)量機(jī)電響應(yīng)性能后，劉華俊帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和相場(chǎng)模擬結(jié)果，分析高性能機(jī)電響應(yīng)的可能機(jī)制，成功通過施加外電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)薄膜中反鐵電和鐵電相的競(jìng)爭(zhēng)，獲得了高的機(jī)電響應(yīng)。

然而，在劉華俊看來，盡管七年的科研“長(zhǎng)跑”碩果累累，但他們?nèi)栽诔掷m(xù)探索。

“電場(chǎng)如何誘導(dǎo)兩相競(jìng)爭(zhēng)的具體機(jī)制尚未完全清楚。關(guān)于鈮酸鈉材料，此前有報(bào)道存在電場(chǎng)誘導(dǎo)的亞穩(wěn)鐵電相存在。該相是否存在于我們的薄膜中，并且是否影響以及如何影響機(jī)電響應(yīng)測(cè)試結(jié)果仍有待進(jìn)一步考證?！眲⑷A俊說，未來團(tuán)隊(duì)將通過原位電場(chǎng)下的結(jié)構(gòu)測(cè)試來闡明電場(chǎng)下的相變過程和機(jī)制，探索能否通過控制薄膜厚度來調(diào)控薄膜中反鐵電-鐵電相比例，從而優(yōu)化機(jī)電響應(yīng)性能。

增強(qiáng)薄膜機(jī)電響應(yīng)的策略（課題組供圖）